皮带运输机运行监测与保护系统的研究

石 峰

（汾西矿业（集团）有限责任公司营运分公司，山西 介休 032000）

引言

皮带输送机是矿井煤炭运输的主要设备，其运行可靠性以及效率直接关系到煤炭的开采效率[1-2]。随着矿井采面斜长、推进距离以及回采速度的不断增加，皮带输送机运输长度、负载等均随之加大[3]。皮带输送机工作环境较为恶劣，加之负载较大，在使用过程中容易出现纵向撕裂、断裂、皮带打滑、跑偏等故障。皮带输送机故障发生具有突发性并会影响设备使用效率及寿命[4-5]。因此，对皮带输送机运行进行监测对增强皮带输送机运行可靠性、降低故障发生率具有重要意义。

1 皮带输送机运行监测与保护系统的结构

1.1 总体结构

本文研究的皮带输送机运行监测与保护系统结构见图1，整个监控与保护系统结构包括地面监控中心、工业以太网环网、PLC 控制器、CAN 总线、现场上位机以及监测传感器等[6-7]。地面监控中心主要设备为主备用监控PC、数据库服务器、防火墙以及显示屏等，监控中心可实时显示获取到的皮带输送机运行状况、显示运行曲线以及运行画面；工业以太网主要用以信息传输；井下PLC 控制器以及现场上位机等设备用以对传感器获取到的信息进行转换、分析以及判断，将监测信息传输给地面监控中心，当判断皮带输送机运行存在故障时可及时发出预警信息提醒现场人员前去处理；现场布置的传感器包括有保护开关、各类监测传感器以及防爆摄像头等，传感器监测获到的信息以CAN 总线为通道传输给PLC 控制器，当监测到皮带输送机关键点存在故障时则PLC 控制器会向皮带输送机发出停机指令。

图1 皮带输送机运行监测与保护系统结构

1.2 硬件设备选型

皮带输送机运行监测与保护系统硬件设备主要为主控制器以及各类传感器。由于煤矿井下环境恶劣，对选用的主控制器稳定性及可靠性有较高要求，为此，文中采用的主控制器型号为S7-1200PLC。该控制器中央处理模块为CPU1214C，配套使用的输入、输出模块分别为SM1231、SM1223，用以采集数字信号、输出控制信号；现场采用CSM1277 通信模块实现现场上位机、PLC 控制器间的数据通信。监控与保护单元主要由各类传感器以及保护开关等构成，具体采用的传感器类型包括有速度、温度、张力、振动、纵向撕裂传感器等。

1）皮带输送机运行时需要对驱动滚筒转速、输送带带速等进行监测，监测结果可直接用以输送带打滑、断裂、改向滚筒故障等诊断。速度监测选用的传感器类型为KGS2，将速度传感器分别布置在驱动滚筒、改向滚筒以及输送带下方对滚筒转速、输送带带速进行测定。

2）选用的振动传感器型号为CYT9200，将传感器布置在减速器外壳上可实时对驱动滚筒、减速器等振动信号进行监测。

3）选用的温度传感器型号为PT100，具体温度传感器安装在皮带输送机上以及运输巷道内两个位置，具体在皮带输送机电机轴承、滚筒轴瓦、电机绕组等位置布置温度传感器以便对输送机关键位置温度进行监测；在巷道内布置温度传感器对输送带异常摩擦或者电机故障导致的火灾事故进行监测。

4）选用的张力传感器型号为Celtron STC，将张力传感器布置在张紧装置、皮带输送机机尾滚筒间，用于对输送带张力故障进行诊断。

5）保护开关。选用的保护开关包括有撕裂、跑偏、烟雾、堆煤以及急停等。选用的撕裂保护开关型号为KPJ1A，将其布置在落料口位置用以对撕裂故障进行保护；选用的跑偏开关型号为KGE9A 型，分别在机尾、机身两侧布置，用以对输送带跑偏监测及保护；烟雾保护开关型号为KGV1 型，布置在被保护装置下风口5～50 m 位置；堆煤保护开关型号为GUJ35，安装在输送机搭接位置，当发现堆煤时堆煤保护开关即刻动作；急停保护开关型号为KPG3，间隔一定距离在皮带输送机沿线上布置，实现输送机紧急停车。

6）布置的摄像头型号为KBA4A 型，该摄像头具有故障发生率低、体积小、维护方便等优点，可满足皮带输送机沿线监控需要。摄像头获取到的画面可通过光纤网络传输给地面监控中心。

2 监控系统软件设计

2.1 下位机监控程序

井下现场布置的下位机为S7-1200 系列PLC，该控制器可通过编译软件进行程序设计。具体控制程序设计依据故障监测流程编写，并依据现场监测以及保护需要，在编写软件时应具备皮带输送机运行工况、故障诊断、报警以及综合保护等功能。现场主机具有的控制程序包括有CAN 总线通信程序、声光报警程序、系统保护程序、初始化程序、传感器数据采集程序以及停机控制程序等。

2.2 上位机监控程序

现场布置的上位机装置监控软件使用CGS 组态软件编制，软件整体呈现模块化风格，并可以曲线以及动画形式直观地实现传感器监测结果。现场工作人员可依据监控画面以及画面变化情况实时掌握皮带输送机运行情况。PLC 控制器与现场上位机间采用以太网方式传。上位机监控程序包括有主界面、系统菜单、数据显示、报警窗口以及故障诊断界面等组成，具体上位机监控程序结构框图见图2 所示。通过上位机监控程序可对传感器报警阈值进行设定，当传感器监测值超过设定阈值后上位机即会发出报警。

图2 上位机监控程序结构框图

3 结语

为了减小矿井皮带运输机在现场使用过程中各类故障对输送机运行影响，并降低故障发生率，设计了一种皮带输送机运行监测与保护系统，该系统以PLC 控制器为核心对输送机上以及沿线布置的各类传感器监测结果进行分析、显示，并依据监测结果对皮带输送机运行进行保护。同时在输送机沿线布置的摄像头可实现输送机运行的实时监测，提高带式输送机的工作效率及可靠性。